(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向に延在するように設けられ、複数の磁区とそれらを区切る複数の磁壁とを備えている磁性層と、
前記磁性層の延在する方向に沿って前記磁性層に隣接して設けられ、非磁性相と磁性相とから構成されたピニング層と、
前記ピニング層に対して前記磁性層とは反対側に設けられた電極層と、
前記ピニング層と前記電極層との間に設けられた絶縁層と、
シフト動作時に前記磁壁をシフトさせるシフト電流を前記磁性層に流す電流導入部と、
前記磁性層に情報を書き込む書き込み部と、
前記磁性層から情報を読み出す読み出し部と、
前記シフト動作時に前記ピニング層と前記電極層との間に印加する電圧を発生する電圧発生部と、
を備えた磁気メモリ。
【請求項２】
前記磁性層は、集積回路が設けられた基板上に設けられ、前記ピニング層は前記磁性層に対して前記基板とは反対側に設けられることを特徴とする請求項１記載の磁気メモリ。
【請求項３】
基板上に設けられた絶縁膜であって、前記絶縁膜の表面から前記基板に向かって延在し底面が前記基板に達しないトレンチを有する絶縁膜と、
前記トレンチの側面および前記トレンチの底面に沿って延在するように設けられ、複数の磁区とそれらを区切る複数の磁壁とを備えている磁性層と、
前記トレンチの側面および前記トレンチの底面に沿って前記磁性層に隣接して設けられ、非磁性相と磁性相とから構成されたピニング層と、
前記ピニング層に対して前記磁性層とは反対側に設けられた電極層と、
前記ピニング層と前記電極層との間に設けられた絶縁層と、
シフト動作時に前記磁壁をシフトさせるシフト電流を前記磁性層に流す電流導入部と、
前記磁性層に情報を書き込む書き込み部と、
前記磁性層から情報を読み出す読み出し部と、
前記シフト動作時に前記ピニング層と前記電極層との間に印加する電圧を発生する電圧発生部と、
を備えた磁気メモリ。
【請求項４】
前記ピニング層の厚さは、０ｎｍを超え１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気メモリ。
【請求項５】
前記ピニング層は、前記磁性相と前記非磁性相とが前記磁性層の延在する方向に交互に配列された構造を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気メモリ。
【請求項６】
前記ピニング層は、前記磁性相と前記非磁性相とが前記磁性層の延在する方向に交互に配列されたストライプ構造であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気メモリ。
【請求項７】
前記ピニング層は、前記非磁性相中に複数の前記磁性相が前記磁性層の延在する方向に配列された構造を有する請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気メモリ。
【請求項８】
前記ピニング層は、前記磁性層の延在する方向に一つの磁性相を挟んで隣接する前記非磁性相間の長さの複数倍の長さがメモリの１ビットの長さに対応することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気メモリ。
【請求項９】
前記ピニング層は、前記磁性層の延在する方向に一つの磁性相を挟んで隣接する前記非磁性相間の長さがメモリの１ビットの長さに対応することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気メモリ。
【請求項１０】
前記ピニング層は、前記磁性相および前記非磁性相のうちの一方の相中に、他方の相が析出したグラニュラー構造を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気メモリ。
【請求項１１】
前記非磁性相は、絶縁体であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の磁気メモリ。
【請求項１２】
前記非磁性相は、導電体であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の磁気メモリ。
【請求項１３】
前記書き込み部と前記読み出し部は、一体であって同じ構造を有する請求項１乃至１２のいずれかに記載の磁気メモリ。
【請求項１４】
前記ピニング層と前記電極層との間に前記電圧発生部によって電圧が印加されている間に、前記シフト電流を前記電流導入部から前記磁性細線に流す請求項１乃至１３のいずれかに記載の磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、磁壁で区切られた磁区毎に情報が記録された磁性配線を有する磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、サブミクロン幅の磁性細線において、磁壁の電流駆動を観察したという報告がある。この効果を活用して磁壁シフトが可能な磁気メモリが提案されている。この磁気メモリでは、複数の磁区に分割された磁性配線を用い、磁区の磁化の向きに「０」または「１」の情報（データ）を対応させて情報を記憶する。電流を流すことで磁壁の移動により磁区が移動するので、この磁区に記憶された情報（データ）も移動し、固定されたセンサで読み出し、固定された書込み部で書き込むことができる。すなわち、磁区がメモリセルに対応する。一般に、磁気メモリでは、セルの高密度化等による磁気メモリの大容量化とともに、消費電力低減への要求が高まりつつある。
【０００３】
上記磁壁移動型の磁気メモリでは、磁壁の位置が熱等の外乱で変化しないよう、磁壁をピン止めするためのピニングサイトが必要である。その具体例として物理的ノッチを磁性細線に形成する方法が提案されている。また、イオンビームを照射することで、磁壁ピニングサイトを形成する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６，８３４，００５号明細書
【特許文献２】米国特許第６，８９８，１３２号明細書
【特許文献３】特開２００７−３２４２６９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】A.Yamaguchi et al., Phys Rev.Lett92, 077205(2004)
【非特許文献２】Data in the Fast Lanes of Racetrack Memory (Scientific American June 2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本実施形態は、磁壁のピニングサイトが導入された一方向に延在する磁性層を有し、かつシフト動作時の電流の増加を抑制することができる磁気メモリを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本実施形態による磁気メモリは、基板上に設けられ、複数の磁区とそれらを区切る複数の磁壁とを備えている磁性細線と、前記磁性細線に対して前記基板とは反対側に、前記磁性細線に沿って前記磁性細線に隣接して設けられ、非磁性相と磁性相とから構成されたピニング層と、前記ピニング層に対して前記磁性細線とは反対側に設けられた電極層と、前記ピニング層と前記電極層との間に設けられた絶縁層と、前記磁壁をシフトさせるシフト電流を前記磁性細線に流す電流導入部と、前記磁性細線に情報を書き込む書き込み部と、前記磁壁細線の情報を読み出す読み出し部と、前記ピニング層と前記電極層との間に印加する電圧を発生する電圧発生部と、を備えていることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態による磁気メモリを示す断面図。
【図２】図２（ａ）乃至図２（ｅ）は、ピニング層の形態を示す模式図。
【図３】図３（ａ）乃至図３（ｃ）は、磁性細線の磁壁と、ピニング層との関係を説明する図。
【図４】ピニング層への電界の印加を説明する図。
【図５】図５（ａ）、５（ｂ）は、ピニングポテンシャルの制御を説明する図。
【図６】シフト動作のタイミングチャートの一例を示す図。
【図７】図７（ａ）、７（ｂ）は、スピントルク書き込み方式を説明する図。
【図８】図８（ａ）、８（ｂ）は、電流磁場による書き込み方式を説明する図。
【図９】図９（ａ）乃至図９（ｃ）は、読み出し方式を説明する図。
【図１０】第１実施形態による磁気メモリを示す上面図。
【図１１】第２実施形態による磁気メモリを示す断面図。
【図１２】第３実施形態による磁気メモリを示す断面図。
【図１３】図１３（ａ）乃至図１３（ｄ）は、ピニング層によるピニングポテンシャルを説明する図。
【図１４】実施例１による磁気メモリを示す上面図。
【図１５】図１５（ａ）乃至図１５（ｃ）は、実施例１による磁気メモリの製造工程を示す断面図。
【図１６】図１６（ａ）、図１６（ｂ）は、実施例１による磁気メモリの製造工程を示す断面図。
【図１７】実施例２によって製造されるピニング層の上面図。
【図１８】図１８（ａ）乃至図１８（ｄ）は、実施例２のピニング層の製造工程断面図。
【図１９】スピントルク書き込み方式を用いたタイミングチャートの一例を示す図。
【図２０】ＴＭＲ読み出し方式を用いたタイミングチャートの一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して実施形態を詳細に説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
まず、第１実施形態による磁壁移動型の磁気メモリの構造を図１に示す。この第１実施形態の磁気メモリ１は、集積回路（図示せず）が搭載された基板１００の上方に配置された記憶素子として機能する磁性細線１０と、この磁性細線１０へ磁気情報を書き込むための書き込み部１６と、磁気情報を読み出すための読み出し部１８と、を備えている。基板１００と反対側の、磁性細線１０の面に隣接して磁壁をピニングするためのピニング層２０が設けられる。なお、磁性細線とは、一方向に延在する磁性層を意味する。このピニング層２０に対して磁性細線１０と反対側に、磁性細線１０の延在する方向（長手方向）に沿って電極層４０が設けられ、磁性細線１０と電極層４０との間に絶縁層３０が設けられる。したがって、ピニング層２０、絶縁層３０、および電極層４０は、磁性細線１０の延在する方向に沿って設けられる。また、磁性細線１０と電極層４０との間に電圧を発生させ、ピニング層２０に電界を印加する電圧発生部５０が設けられる。なお、本実施形態の磁気メモリは集積回路が形成された基板上に設けられているが、基板上に設けられていなくともよい。
【００１１】
磁性細線１０の磁化は、磁性細線１０の長手方向と直交する断面の長辺方向と、磁性細線１０の長手方向とがなす面に垂直な方向に磁化容易軸（垂直磁気異方性）をもつ。なお、磁性細線１０の断面が正方形である場合は、長辺方向は、正方形のどの辺に沿った方向でもよい。磁性細線１０には複数の磁区１０ａおよび、それらを仕切る複数の磁壁１０ｂが導入され、磁区１０ａの磁気モーメントの向きをデータの“１”、“０”に対応させることで情報を記録する。磁性細線１０の断面は例えば長方形状、正方形状、楕円形状、円形状である。また、図１に示す磁性細線１０は長手方向に沿って太さが一様な形状であるが、太さが周期的に変化してもよい。この磁性細線１０へ、図示しな電流導入部を介して電流源からシフト電流Ｉｓを流すことで、磁壁１０ｂの位置をシフトさせ、データを磁性細線１０上で移動させる。
【００１２】
磁性細線１０に隣接して設けられたピニング層２０は、ピニング層２０の層面に、磁性相領域と非磁性相領域とが存在した２相から成る。ピニング層２０の２相構造例を図２（ａ）乃至図２（ｅ）に示す。図２（ａ）乃至図２（ｅ）はピニング層２０の上面からみた模式図である。
【００１３】
ピニング層２０の第１形態は、図２（ａ）に示すように、非磁性マトリックス２２の中に磁性相２４がグラニュラー状に析出した構造をもつ。このような構造としては例えばＣｏＣｒＰｔ−ＳｉＯ２などの材料を挙げることができる。ＣｏＣｒＰｔ−ＳｉＯ２は、同時スパッタ等での形成でも２相分離することが可能な材料である。図２（ａ）に示す構造はさらに、真空からなる非磁性相にＦｅＰｔ合金などの磁性相がアイランド状に形成されてもよい。あるいはＦｅＰｔのアイランドの周囲がＭｇＯの非磁性相で囲まれていても良い。グラニュラー形態は、図２（ｂ）に示すように、図２（ａ）とは逆に磁性相マトリックス２４の中に非磁性相２２が析出した場合においても、ピニングの効果は得られる。
【００１４】
ピニング層２０の第２形態は、図２（ｃ）に示すようなドット状の磁性相２４とその周囲を埋める非磁性相２２からなる。後述の実施例２で説明するように、ジブロックコポリマーなどの自己組織化（directed self-assembly：ＤＳＡ）を用いて作製することができる。ドットピッチ（＝ドットの直径＋ドット間間隔）を１記録ビットの寸法に合致させるように作ると、メモリ動作の制御が容易となるため望ましい。また、ドット直径とドット間との間隔は同等、もしくはドット直径がドット間間隔より大きいことが、安定したビットシフトを得る上で望ましい。
【００１５】
ピニング層２０の第３形態は、図２（ｄ）、２（ｅ）に示すように磁性相２４と非磁性相２２とがストライプ状に並んだ構造である。この構造も、ＥＢ描画などのトップダウン手法に加えて、ＤＳＡ等の手法を用いて形成することができる。ストライプのピッチ（＝磁性相２４の１ストライプの幅＋非磁性相２２の１ストライプの幅）は、１ビット（１つの磁区）の寸法に合致させる（図２（ｄ））と、メモリ動作の制御が容易となるため望ましい。あるいは、ストライプのピッチを１ビットの寸法より細かくして複数の磁性相２４のストライプで１ビットに対応させる（図２（ｅ））と、ストライプ位置の精密な制御が不要となるため望ましい。ストライプのピッチを１ビットの寸法に合致させる場合には、磁性相２４のストライプ幅は非磁性相２２のストライプ幅と同等もしくはそれ以下であることが、より安定したビットシフトを得る上で望ましい。
【００１６】
次に、磁性細線１０の材料、ピニング層２０の磁性相２４および非磁性相２２の材料について述べる。
【００１７】
磁性細線１０の材料およびピニング層２０の磁性相２４は、例えば（１）不規則合金、（２）規則合金、または（３）フェリ磁性体から形成することができる。
【００１８】
不規則合金
不規則合金としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの何れか１種類以上の元素を含む金属もしくは合金が挙げられる。例えば、ＮｉＦｅ合金、ＮｉＦｅＣｏ合金、あるいはＣｏＦｅＢ合金、ＣｏＣｒ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＴａ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔＴａ合金、ＣｏＣｒＮｂ合金等が挙げられる。不規則構造やアモルファス構造を有しているので作製が容易であるとともに、元素の割合により磁気異方性エネルギーや飽和磁化を調整することができる。
【００１９】
規則合金
規則合金としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの何れか１種類以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄの何れか一種類以上の元素とからなる合金が挙げられる。例えば、合金の結晶構造がＬ１０型の規則合金として、Ｃｏ５０Ｐｄ５０、Ｃｏ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ５０Ｐｄ５０、Ｆｅ３０Ｎｉ２０Ｐｄ５０、Ｃｏ３０Ｆｅ１０Ｎｉ１０Ｐｔ５０、Ｃｏ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０等が挙げられる。これらの規則合金は上記組成比に限定されない。これらの規則合金に、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｇ等の不純物元素を添加して磁気異方性エネルギーや飽和磁化を調整することができる。容易に大きな磁気異方性エネルギーを得ることができる。
【００２０】
フェリ磁性体
フェリ磁性体としては、希土類金属と遷移金属との合金が挙げられる。例えば、Ｔｂ（テルビウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｇｄ（ガドリニウム）の何れか一種類以上からなる元素と、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの遷移金属のうちの１種類以上からなる元素で構成されるアモルファス合金が挙げられる。具体例としては、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ等がある。これらの合金は、組成を調整することで磁気異方性エネルギー、飽和磁化を調整することができる。なお、アモルファスの中には細結晶が混ざっていてもよい。磁性細線１０の材料には、小さな飽和磁化を実現できるフェリ磁性体は好ましい。飽和磁化を小さくすると、磁壁移動に必要な電流を小さくできる。
【００２１】
なお。磁性細線１０には、上記（１）から（３）の材料を組み合わせて用いる、例えばＴｂＦｅＣｏ／ＮｉＦｅや、ＧｄＦｅＣｏ／ＣｏＦｅＢのように組み合わせて用いることで、磁壁特性を調整することができる。また、異なる組成のフェリ磁性層を積層して使用することもできる。希土類リッチな希土類―遷移金属アモルファス合金と、遷移金属リッチな希土類―遷移金属アモルファス合金とを積層することで、見掛けの飽和磁化を小さくすることができるので、そのような積層膜を磁性細線１０の材料とすることで、磁壁移動に必要な電流を小さくする効果が得られる。
【００２２】
磁性細線１０の材料と、ピニング層２０の磁性相２４とは必ずしも異なる材料とする必要はない。所望の設計事項に応じて選定すればよい。磁性細線１０の材料と、ピニング層２０の磁性相２４とが同じ材料で構成される場合もある。
【００２３】
なお、ピニング層２０の磁性相２４には、前述の導電性の磁性相の他に、半導体や絶縁体となる３ｄ遷移金属を含む酸化物を用いることができる。
【００２４】
ピニング層２０の非磁性相には、非磁性金属相と非磁性絶縁相とのいずれか、もしくは双方を用いることができる。非磁性金属層には、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ，あるいはこれらの少なくとも１つを含む合金の何れかを用いることができる。非磁性絶縁相には、アルミニウム酸化物（ＡｌＯｘ）、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）、マグネシウム窒化物、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）、シリコン窒化物（Ｓｉ−Ｎ）、シリコン酸窒化物（Ｓｉ−Ｏ−Ｎ）、ＴｉＯ２、Ｃｒ２Ｏ３などの絶縁材料を用いることができる。その他、チタン酸バリウムＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、あるいはＨｆＯ２などの誘電材料を用いることができる。
【００２５】
このようなピニング層２０を磁性細線１０に隣接して設けると、後述するように、磁壁１０ｂが非磁性相２２に架からない場合に比べて、非磁性相２２に架かった場合に、磁壁１０ｂのポテンシャルが下がる。このため、図３（ａ）乃至図３（ｃ）の模式図に示すように磁壁１０ｂが、非磁性相２２が存在する領域にピニングされる。
【００２６】
図３（ａ）は、ピニング層２０として図２（ａ）または２（ｂ）に示す形態のピニング層を用いた例を示し、グラニュラー状の磁性相または非磁性相の微粒子のサイズはサブｎｍ〜数１０ｎｍである。複数の磁性相または非磁性相の微粒子で１記録ビットに対応する。ピニング層２０の厚さは０より大きく１０ｎｍ以下である。
【００２７】
図３（ｂ）は、ピニング層２０として、図２（ｅ）に示す形態のピニング層を用いた例を示し、ピニング層２０の厚さは０より大きく１０ｎｍ以下である。そして、１ビットの長さ（隣接する磁壁間の長さ）は、ピニング層２０における一つの磁性相２４を挟んで隣接する非磁性相２２間の長さの複数倍の長さが対応する。なお、図３（ｂ）においては、ピニング層２０は数ｎｍ間隔の磁性相２４と非磁性相２２のストライプから構成される。
【００２８】
図３（ｃ）は、ピニング層２０として、図２（ｄ）に示す形態のピニング層を用いた例を示す。ピニング層２０は数１０ｎｍの長さの磁性相２４と非磁性相２２のストライプから構成され、１ビットの長さ（隣接する磁壁間の長さ）は、ピニング層２０における一つの磁性相２４を挟んで隣接する非磁性相２２間の長さに対応する。ピニング層２０の厚さは０より大きく１０ｎｍ以下である。
【００２９】
ピニング層１０に隣接して絶縁層３０が設けられる。この絶縁層３０には、アルミニウム酸化物（ＡｌＯｘ）、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）、マグネシウム窒化物、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）、シリコン窒化物（Ｓｉ−Ｎ）、シリコン酸窒化物（Ｓｉ−Ｏ−Ｎ）、ＴｉＯ２、Ｃｒ２Ｏ３などの絶縁材料や、チタン酸バリウムＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、あるいはＨｆＯ２などの誘電材料を用いることができる。
【００３０】
（磁壁のシフト動作）
次に、磁性細線１０の磁壁のシフト動作について説明する。
【００３１】
図４に示すように、絶縁層３０を介してピニング層２０へ電界を印加すると、ピニング層２０を構成する磁性相２４の磁気異方性の大きさ、あるいは磁気異方性の方向、あるいは磁化の大きさなどの磁気特性が変化する。それらは、ピニング層２０の磁歪効果やピニング層２０表面の電界効果に因る。絶縁層３０に誘電特性が大きな材料を用いると特に優れた効果を得ることができる。誘電特性が大きな絶縁層３０は電界により格子が歪むので、絶縁層３０に隣接したピニング層２０の磁性相２４は磁歪の効果により磁気異方性の大きさあるいは磁気異方性の方向が変化する。また、誘電特性を大きくすると実効的な電界を大きくできるため、ピニング層２０表面の電界効果が発現しやすくなる。
【００３２】
電界により例えばピニング層２０の磁気異方性が低くなると、非磁性相２２に磁性細線１０の磁壁１０ｂが架かった場合の磁壁ポテンシャルと、非磁性相以外の箇所に磁壁１０ｂが存在する際の磁壁ポテンシャルとの差が小さくなる。このため、磁壁１０ｂをピン止めする力が小さくなるので磁壁１０ｂが動きやすくなる。図５（ａ）、５（ｂ）にその原理を模式的に示す。磁性細線１０と電極層４０との間に印加される印加電圧がゼロである場合にはピニング力が有効に働き、磁壁１０ｂはピニング層２０の非磁性相２２の部分にピン止めされる（図５（ａ））。これに対し、磁性細線１０と電極層４０との間に電圧を印加すると、ピニング層２０の磁性相２４へ電界が印加され、磁性相２４の磁化状態が変化し、ピニング力が弱まる。その結果、磁壁１０ｂの移動を容易にさせる（図５（ｂ）。したがって、磁性細線１０と電極層４０との間に電圧を印加しつつ磁壁１０ｂのシフト動作を行なうことで、シフト動作に必要な電流を低減することができる。
【００３３】
なお、ピニング層２０の厚さは１０ｎｍ以下が望ましい。これ以上厚いと十分な電界効果を得ることができない。また、電流の流れを妨げる結果シフト動作時の電流値も大きくなるので望ましくない。電界によるピニング層２０表面の電子状態変化を利用する場合には、ピニング層２０の厚さを５ｎｍ以下とすることが望ましい。
【００３４】
次に、磁壁１０ｂをシフト動作させる時のタイミングチャートの一例を図６に示す。磁性細線１０に磁壁１０ｂを移動させる電流（シフト電流）Ｉｓを流すタイミングは、ピニング層２０に電界を印加している時である。すなわち、ピニング層２０に電圧Ｖｐを印加すると同時かまたは電圧Ｖｐの印加後にシフト電流Ｉｓを流す。そしてシフト電流Ｉｓを切ってから電圧Ｖｐを切ることがこのましい。また、磁性細線１０に電流を流す時間幅Ｔｓは、ピニング層２０に電界を印加する時間幅Ｔｐと同等かそれ以下であることが、磁壁移動電流を下げる上で望ましい。すなわち、Ｔｓ≦Ｔｐであることが好ましい。なお、図６のタイミングチャートでは立ち上がりおよび立ち下りが急峻であるが、回路設計に依存してそれらは鈍る。また、引加電圧と引加されたシフト電流は時間に対して一定であるが、それらが時間的に変化しても、Ｔｓ≦Ｔｐの条件を満たせばよい。
【００３５】
（書き込み部）
磁性細線１０の一部には書き込み部１６が配置され、磁性細線１０の対応するターゲットセル（書き込みたいアドレスのセル：ＴＣ−ｗ）の磁化方向を確定することによりデータを書き込む。この書き込み部１６には、例えば図７（ａ）、７（ｂ）に示すような、スピントルク書き込みを用いることができる。図７（ａ）、７（ｂ）においては、磁性細線１０に接するように、中間層１６ｂを介して磁性電極１６ａが設けられている。中間層１６は、非磁性金属層、非磁性半導体層、もしくはトンネルバリア層からなる。
【００３６】
磁性電極１６ａの磁化方向は中間層１６ｂの膜面に対して垂直方向である。なお、膜面とは、中間層１６ｂの磁性電極１６ａとの間の界面を意味し、磁性細線１０の延在する方向に平行な面である。書き込み動作時には、磁性細線１０と磁性電極１６ａとの間に電子流（電流と逆向き）を流し、この電子流の向きによりターゲットセルＴＣ−ｗの磁化方向を確定することによりデータを書き込む。図７（ａ）は、ターゲットセルＴＣ−ｗの磁化方向が磁性電極１６ａの磁化方向と平行となるように書き込む場合を示し、磁性電極１６ａから中間層１６ｂを介して磁性細線１０のターゲットセルＴＣ−ｗに電子流を流す。また、図７（ｂ）は、ターゲットセルＴＣ−ｗの磁化方向が磁性電極１６ａの磁化方向と反平行となるように書き込む場合を示し、磁性細線１０のターゲットセルＴＣ−ｗから中間層１６ｂを介して磁性電極１６ａに電子流を流す。
【００３７】
スピントルク書き込み部１６の中間層１６ｂである非磁性金属層としては、Ｃｕ、Ａｇ，Ａｕ、Ａｌ、あるいはそれらを１種類以上含む合金が挙げられる。また、トンネルバリア層としては、アルミニウム酸化物（ＡｌＯｘ）、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）、マグネシウム窒化物、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）、シリコン窒化物（Ｓｉ−Ｎ）、シリコン酸窒化物（Ｓｉ−Ｏ−Ｎ）、ＴｉＯ２、Ｃｒ２Ｏ３などの材料を用いることができる。また、中間層１６ｂとしてグラファイトのような非磁性材料を用いることができる。
【００３８】
スピントルク書き込み部１６の磁性電極１６には、磁性細線１０の材料およびピニング層２０の磁性相２４の材料として挙げた材料を用いることができる。
【００３９】
また、書き込み部１６には、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、磁性細線１０と離間して設けられ、かつ磁性細線１０と直交する、例えば金属配線１６ｃからなる書き込み配線を用いても良い。書き込み動作時には、書き込み配線１６ｃに書き込み電流Ｉｗを流し、この書き込み電流Ｉｗにより発生する磁場（電流磁場）を、磁性配線１０の一端部に位置するターゲットセルＴＣ−ｗに印加する。その結果、ターゲットセルＴＣ−ｗの磁化方向を確定することによりデータを書き込む。図８（ａ）は書き込み配線が単線からなる場合を示し、図８（ｂ）は書き込み配線が往復線とすることで、書き込み電流を半減させることができる。図８（ｂ）に示す場合ではさらに、往復線のギャップ寸法でターゲットセルのサイズを規定することができるため、加工寸法でセルサイズを設計することが可能となるため、好ましい。
【００４０】
（読み出し部）
図１に示したように、磁性細線１０にはさらに、その一部に、読み出し部１８が配置されている。この読み出し部１８において、磁性細線１０の対応する位置に移動してきたターゲットセルＴＣ−ｗの磁化方向を読み出す。この読み出し部１８には、例えば図９（ａ）に示すような、磁性細線１０に接するようにトンネルバリア層１８ｂを介して磁性電極１８ａを設けることで、トンネル磁気抵抗効果として信号を読み出す構造を用いることができる。トンネルバリア層１８ｂには、アルミニウム酸化物（ＡｌＯｘ）、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）、マグネシウム窒化物、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）、シリコン窒化物（Ｓｉ−Ｎ）、シリコン酸窒化物（Ｓｉ−Ｏ−Ｎ）、ＴｉＯ２、Ｃｒ２Ｏ３などの材料を用いることができる。磁性電極１８ａには、磁性細線１０の材料およびピニング層２０の磁性相２４の材料として挙げた材料を用いることができる。
【００４１】
また、読み出し部１８には、例えば図９（ｂ）に示すように、磁性細線１０に対して離間して検出線１８ｃを設けることで、磁壁が移動するときに検出線１８ｃに生じる誘導起電力を用いてターゲットセルＴＣ−ｗの磁化方向を読み出すことができる。また、図９（ｃ）に示すように、磁性細線１０に対して、離間してもしくは接してスピン波伝送線１８ｄを設けることで、ターゲットセルＴＣ−ｗの磁化方向をスピン波信号として検出することができる。
【００４２】
（電流導入部）
図１０に示すように、磁性細線１０の一部には、さらに、磁性細線１０に形成された磁壁１０ｂを移動させるためのシフト電流が導入される２つの電流導入部６０ａ、６０ｂが設けられ、片方の電流導入部（例えば電流導入部６０ａ）には電流源（図示せず）が接続される。なお、図１０に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面が図１に示されている。
【００４３】
電流源から供給される電流Ｉｓを、電流導入部６０ａを介して磁性細線１０に流すことで磁壁を移動させる。なお、磁壁のシフト方向は、電流Ｉｓの流れる方向と反対である。シフト電流Ｉｓにより書き込み部に対応した位置へターゲットセルＴＣ−ｗを移動させて書き込み動作を行なう。読み出しは、ターゲットセルＴＣ−ｗおよびその前後に位置する磁壁を、検出ラインを横切るまで移動させ、読み出し部１８で読み出す。
【００４４】
以上説明したように、第１実施形態によれば、磁壁のピニングサイト（ピニング層）が導入された磁性細線を有する磁気メモリを提供することができる。さらに、ピニングサイトの導入によりピニング力が増すことで生ずるシフト動作時の電流の増加を、電圧印加によるピニング力の制御により抑制することができる。
【００４５】
（第２実施形態）
第２実施形態による磁壁移動型の磁気メモリを図１１に示す。この第２実施形態の磁気メモリ１は、図１に示す第１実施形態の磁気メモリにおいて、書き込み部１６および読み出し部１８の代わりに書き込み／読み出し部１５を設けた構成となっている。この書き込み／読み出し部１５は、第１実施形態の書き込み部１６と読み出し部１８とを同一構造とし、兼用したものである。
【００４６】
書き込み／読み出し部１５には、図７（ａ）、７（ｂ）に示したスピントルク書き込み構造と、図９（ａ）に示したＴＭＲ読み出し構造を適用することで、両者を兼用することができる。また、図８（ａ）、８（ｂ）に示した電流磁界書き込みと、図９（ｂ）に示した誘導起電力による読み出しとを適用させることで、両者を兼用した構造とすることができる。
【００４７】
第２実施形態においては、書き込み部と読み出し部を兼用としたため、書き込みおよび読み出しに関わる面積を減らすことができるため、チップあたりの記憶容量を増すことができる。
【００４８】
この第２実施形態も第１実施形態と同様に、磁壁のピニングサイト（ピニング層）が導入された磁性細線を有する磁気メモリを提供することができ、さらに、ピニングサイトの導入によりピニング力が増すことで生ずるシフト動作時の電流の増加を、電圧印加によるピニング力の制御により抑制することができる。
【００４９】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態による磁壁移動型の磁気メモリを図１２に示す。図１２は、第３実施形態の磁気メモリの断面図である。この第３実施形態の磁気メモリは、集積回路（図示せず）が搭載された基板１００上に設けられた層間絶縁膜２００にトレンチ（穴ともいう）２１０を形成し、このトレンチ２１０の側面および底面に沿って、第１実施形態に係る磁性細線１０、ピニング層２０、絶縁層３０、および電極層４０を、この順序で積層した構造を有している。すなわち、磁性細線１０、ピニング層２０、および絶縁層３０は、トレンチ２１０内においてＵ字形状となるように設けられている。そして、絶縁層３０に対してピニング層２０と反対側のトレンチ内の領域に電極層４０が埋め込まれた構成となっている。また、層間絶縁膜２００の上面には、磁性細線１０、ピニング層２０、絶縁層３０、および電極層４０が、この順序で積層された構造が設けられ、トレンチ内に設けられた磁性細線１０、ピニング層２０、絶縁層３０、および電極層４０とそれぞれ接続する。したがって、電極層３０は図１２に示すように、Ｔ字形状となっている。なお、トレンチ２１０の底面と、基板１００との間の層間絶縁膜２００中に書き込み／読み出し部１５が設けられている。すなわち、第３実施形態の磁気メモリが、第１、２実施形態の磁気メモリと大きく異なる点は、磁性細線１０を基板１００に対して縦型に配置した点である。
【００５０】
読み込み部、書き出し部は、基板１００の集積回路（図示せず）に接続することを考慮すると、基板１００側であってかつ磁性細線１０側に配置するのが望ましい。なお、図１２に示す第３実施形態では書き込み部と読み出し部とを兼用した書き込み／読み出し部１５が設けられているが、図１に示した横型の場合のように、縦型においても別々でもよい。読み込み部と書き出し部とを別途に設けると、それぞれの動作マージンを確保しやすくなる。
【００５１】
第３実施形態によれば、第１、２実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、第３実施形態では、磁性配線１０をＵ字型にすることにより、横方向のセル面積を縮小でき、高密度化による大容量化を図ることができる。なお、磁性細線は上部が開いたＵ字型や、Ｖ字型であっても、同様にピニング層の効果を得ることができる。
【００５２】
次に実施例について説明する。
【００５３】
（実施例１）
ピニング層１０の機能を調べるために、マイクロマグネティクスを用いてシミュレーションを行った。その結果を図１３（ａ）乃至１３（ｄ）を参照して説明する。
【００５４】
まず、幅２０ｎｍで厚さ５ｎｍの飽和磁化２００ｅｍｕ／ｃｍ３をもつ磁性細線１０に、厚さが１ｎｍのピニング層２０を設けた。ピニング層２０に非磁性相２２が存在する場合（図１３（ｂ））の磁壁のエネルギーと、ピニング層２０に非磁性相２２が存在しない場合（図１３ｃ））の磁壁のエネルギーを求め、その差から図１３（ａ）に示す
ピニングポテンシャルエネルギーを求めた。ピニングポテンシャルエネルギーは、ピニング層２０の非磁性相２２の長さｄＧａｐが４ｎｍ、６ｎｍの場合について求めた。求めたピニングポテンシャルエネルギーを図１３（ｄ）に示す。図１３（ｄ）において、横軸がピニング層２０の磁性相２４の磁気異方性エネルギーＫｕを示し、縦軸がピニングポテンシャルエネルギーを示す。図１３（ｄ）に示すようにピニングポテンシャルエネルギーは磁性相２４の磁気異方性エネルギーＫｕの大きさに依存している。ピニングポテンシャルエネルギーが大きいほど、磁壁１０ｂは強くピニングされる。およそ２．５ピコｅｒｇが６０ｋＴ（ｋはボルツマン定数、Ｔは室温）に相当するため、ピニング層が１ｎｍと薄いにも係わらず、磁気異方性エネルギーＫｕの選定によりＨＤＤ（Hard Disk Drive）並みの熱揺らぎ耐性を持たせることができることがわかった。また、磁気異方性エネルギーＫｕの低下でピニング力は減少した。
【００５５】
次に、ピニング層２０への電界印加によりＫｕを１．７×１０７ｅｒｇ／ｃｍ３から１．３×１０７ｅｒｇ／ｃｍ３へ変化させ、それぞれについて磁壁移動に必要な電流値を求めた。結果として、シフト動作に必要な電流値はおよそ１／２に低減した。これにより、ピニング層２０への電界印加は、シフト動作の電流値を下げる効果があることを確認した。
【００５６】
（実施例２）
次に、実施例２として、第２実施形態の磁気メモリの作製方法について図１４乃至図１８（ｄ）を参照して説明する。図１４は本実施例の磁気メモリの上面図である。スピントルク書き込みとＴＭＲ読み出しを用い、書き込み部と読み出し部は兼用し書き込み／読み出し部１５とした。磁性細線１０の幅は２０ｎｍとした。図１５（ａ）乃至図１６（ｂ）は、本実施例の磁気メモリの製造工程を示す断面図であり、図１４に示す切断線Ａ−Ａ線で切断した断面である。なお、ピニング層２０は図２（ｃ）に示す形態のピニング層である。その上面図を図１７に示す。このピニング層２０は、図１７に示すように、磁性細線１０に記録する１ビットの寸法が２０ｎｍとなるように、ドット径が約１０ｎｍでドット間隔が１０ｎｍとした。また、図１８（ａ）乃至図１８（ｄ）は、本実施例に用いられるピニング層の製造工程を示す断面図である。
【００５７】
まず、予め読み出し書き込みのための下電極用配線（図示しない）をパターン形成した基板１００を用意し、超高真空スパッタ装置内に配置する。次に、基板１００上にバッファ層を介してＴＭＲの固着層に対応する磁性電極１５ａとしてＴｂＣｏＦｅ（３０ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（２ｎｍ）を形成する。括弧内の数値は膜厚を示す。さらに、ＣｏＦｅＢ層の上にＭｇＯ（１ｎｍ）からなる絶縁層１５ｂを形成する（図１５（ａ））。
【００５８】
次に、レジスト（図示せず）を塗布してリソグラフィー技術を用いて、レジストからなるレジストマスクを形成する。このレジストマスクを用いてイオンミリングを行うことにより磁性電極１５ａと絶縁層１５ｂを、約２０ｎｍ×２０ｎｍの形状に加工し、書き込み／読み出し部１５を形成する。その後、書き込み／読み出し部１５の周辺を絶縁体、例えばＳｉＯ２膜３００で埋め込み、上記レジストマスクを除去する（図１５（ｂ））。
【００５９】
次に、基板１００を超高真空スパッタ装置内に再度配置し、磁性細線材料としてＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）／ＴｂＦｅＣｏ（１０ｎｍ）を形成し、さらにその上にピニング層を構成する磁性相を形成する。この後、後述するＤＳＡの手法を用いて磁性相を加工してピニング層２０を形成する（図１５（ｃ））。なお、ここまでの工程では、磁性細線１０とピニング層２０は細線状に加工せず、ベタ膜のままでもよい。
【００６０】
次に、ピニング層２０上にレジスト（図示せず）を塗布し、ＥＢ描画装置を用いてレジストを細線状に露光して現像することでレジストの細線状マスクを形成する。続いて、この細線状マスクを用いて、イオンミリングにより磁性細線１０とピニング層２０を細線状に加工する。そして、ピニング層２０上に形成された細線状マスクを除去して、ピニング層２０が隣接した磁性細線１０を形成する。
【００６１】
次に、ＨｆＯからなる絶縁層３０を成膜し、そして、レジスト（図示せず）を塗布し、ＥＢ描画装置を用いてレジストを露光し現像することで、絶縁層３０に対応するマスクを形成する。続いて、このマスクを用いてイオンミリングによって絶縁層３０をパターニングする。続いて、絶縁層３０上に形成されたマスクを除去する。さらに、Ｔａ／Ａｕからなる電極層用材料を成膜し、この電極層用材料膜上にレジスト（図示せず）を塗布し、ＥＢ描画装置を用いてレジストを露光および現像してマスクを形成する。続いて、上記マスクを用いてイオンミリングにより、ピニング層２０へ電界を印加するための電極層４０形成する。次に、非磁性絶縁層を形成し、電極層４０上に形成されたマスクを除去することで、電極層４０の周囲を非磁性絶縁層３１０で埋め込む（図１６（ａ））。
【００６２】
次に、リソグラフィー技術を用いて、電極層４０を覆うレジストマスク（図示せず）を形成し、このレジストマスクを用いてイオンミリングにより、非磁性絶縁層３１０をパターニングし、磁性細線１０の上面に達する開口を形成する。その後、上記開口を金属で埋め込み、磁性細線１０に接続する電流導入ビア５８ａ、５８ｂを形成する。続いて、金属膜を形成し、この金属膜をパターニングすることにより、電流導入ビア５８ａ、５８ｂにそれぞれ接続する電流導入部６０ａ、６０ｂを形成する。
【００６３】
以上により、ピニング層２０を有する磁性細線１０を用いた磁気メモリ１を作製することができる。
【００６４】
ここで、図１７に示す、２０ｎｍピッチのドットからなる磁性相２４を有するピニング層２０の形成について、図１８（ａ）乃至図１８（ｄ）を参照して説明する。このピニング層２０は、ポリスチレンーポリジメチルシロキサン（ＰＳ−ＰＤＭＳ）を使用したＤＳＡ手法により作製した。
【００６５】
まず、磁性細線１０に沿って溝を有するレジストからなるガイド（図示せず）を磁性層２４上に電子線描画を用いて作成する。続いて、上記溝に、ＰＳ−ＰＤＭＳ溶液を塗布する。２０ｎｍピッチの球が得られるＰＳーＰＤＭＳとして、ＰＳの分子量１２，０００、ＰＤＭＳの分子量３，０００程度程度のものを使用した。次に、１８０℃で熱処理することでＰＳーＰＤＭＳをミクロ相分離させる。これにより、図１８（ａ）に示すように、ＰＳマトリックス４１０中に球状のＰＤＭＳ４２０が周期的に形成され、また、ＰＳマトリクス４１０の表層にはＰＤＭＳの薄層４３０が形成される。この薄層４３０をＣＦ４プラズマでエッチング除去し、さらにＯ２プラズマエッチング処理で磁性相２４が現れるまでエッチングする。すると、ＰＤＭＳ４２０が凸パターンとして残るマスクが形成される（図１８ｂ））。このマスク４２０を用いて極薄の磁性相２４をエッチングし、さらに非磁性相２２となるＭｇＯ膜を堆積させた（図１８（ｃ））。この後、ＣＦ４プラズマエッチングとウエット処理でマスク部分を除去した（図１８（ｄ））。以上によりピニング層２０を形成することができる。
【００６６】
（実施例３）
次に、実施例３として、ピニング層を付加した磁性細線へスピントルクでデータを書き込み、ＴＭＲ読み出し方式でデータを読み出す際のそれぞれのタイミングについて図１９および図２０を参照して説明する。この動作方法は第１乃至第３実施形態のいずれにも適用可能である。
【００６７】
（書き込み）
図１９に、スピントルク書き込み時のタイミングチャートの一例を示す。まず、シフト移動を行なう。ピニング層２０に電界Ｖｐを印加することでピニング力を弱め、磁性細線１０にシフト電流Ｉｓを流すことで磁壁１０ｂを移動させる。シフト電流Ｉｓはピニング層へ電圧Ｖｐが印加されている間に流す。磁性細線１０に電流を流している時間幅Ｔｓは、電圧Ｖｐを印加する時間幅Ｔｐに対してＴｓ≦Ｔｐとすることが望ましい。
【００６８】
図１９に示す例においては、書き込みは電圧Ｖｐをゼロとした時間に行なう。この方法は、記録時に磁性細線１０も書き込み電流Ｉｗの経路としてスピントルク書き込みを行う場合に特に効果的である。その場合、ＴＭＲ読み出し部へ電流を流すための電極の一つは、図７（ａ）、７（ｂ）に示す磁性電極１６ａの下に設けられ、もう一つの電極は、磁性細線１０へ電流を流すための電極（例えば図１０に示す電流導入部６０ａ、６０ｂのいずれか）に設けられる。この構造は、ＴＭＲ測定に必要な電極数を減らすことに繋がるため、メモリの高密度化の観点からは望ましい。しかし、一方で、書き込み時にも磁性細線１０に電流が流れるため、その電流により磁壁が移動することが危惧される。しかしながら書き込み時に、ピニング層２０への印加電圧をゼロとしてピニング効果を有効とさせることで、書き込み電流による予期せぬ磁壁移動を阻止する効果がある。言い換えれば、書き込み電流とシフト動作電流とに必要な電流マージンを緩和する効果がある。
【００６９】
もし、磁性細線１０がＩｗのパスにならないならば、ピニング層２０に印加される電界は、シフト動作と書き込み動作のシーケンスの間中、印加しておくことができる。
【００７０】
上記説明では、書き込み動作をシフト移動から始めたが、書き込み動作―シフト移動―書き込み動作―シフト動作としても適用できる。
【００７１】
（読み出し）
図２０はＴＭＲ読み出し時のタイミングチャートである。まず、シフト移動を行なう。ピニング層２０に電界Ｖｐを印加することでピニング力を弱め、磁性細線１０にシフト電流Ｉｓを流すことで磁壁１０ｂを移動させる。シフト電流Ｉｓはピニング層２０へ電圧Ｖｐが印加されている間に流す。磁性細線１０に電流を流している時間幅Ｔｓは、Ｖｐを印加する時間幅Ｔｐに対してＴｓ≦Ｔｐとすることが望ましい。
【００７２】
図２０に示す例においては、読み出し動作は電圧Ｖｐをゼロとした時間に行なう。この方法は、読み出し時に磁性細線１０も読み出し電流Ｉｒの電流路になるようなＴＭＲ読み出し構造の場合に特に効果的である。ピニング層２０によるピニングにより、読み出し電流による予期せぬ磁壁移動を防ぐことができる。
【００７３】
ＴＭＲ再生でも磁性細線１０がシフト電流Ｉｗの電流路にならない場合、あるいはスピン波再生の場合には、ピニング層２０への電界は、シフト動作と書き込みのシーケンスの間中印加しておくことができる。
【００７４】
上記説明では、読み出し動作をシフト移動から始めたが、読み出し動作―シフト移動―読み出し動作としても適用できる。
【００７５】
なお、図１９、図２０のタイミングチャートは立ち上がりおよび立ち下りは急峻であるが、回路の設計の仕方により鈍る。また、引加電圧および引加される電流は時間に対して一定としたが、それらが変化しても上記の条件を満たせば効果が得られる。
【００７６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７７】
１  磁気メモリ
１０  磁性細線
１０ａ  磁区
１０ｂ  磁壁
１５  書き込み／読み出し部
１６  書き込み部
１８  読み出し部
２０  ピニング層
２２  非磁性相
２４  磁性相
３０  絶縁層
４０  電極層
５０  電圧発生部
１００  基板  
【図１】
0005615310.tif 000002
【図２】
0005615310.tif 000003
【図３】
0005615310.tif 000004
【図４】
0005615310.tif 000005
【図５】
0005615310.tif 000006
【図６】
0005615310.tif 000007
【図７】
0005615310.tif 000008
【図８】
0005615310.tif 000009
【図９】
0005615310.tif 000010
【図１０】
0005615310.tif 000011
【図１１】
0005615310.tif 000012
【図１２】
0005615310.tif 000013
【図１３】
0005615310.tif 000014
【図１４】
0005615310.tif 000015
【図１５】
0005615310.tif 000016
【図１６】
0005615310.tif 000017
【図１７】
0005615310.tif 000018
【図１８】
0005615310.tif 000019
【図１９】
0005615310.tif 000020
【図２０】
0005615310.tif 000021